AT513104B1

AT513104B1 - Vorrichtung zur Konstanthaltung der Frequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators

Info

Publication number: AT513104B1
Application number: ATA761/2012A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2015-11-15
Also published as: AT513104A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Konstanthaltung der Frequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators, der in einer phasengekoppelten Schleife eingebaut ist, der über eine ausreichende Zeit mit einer externen Frequenz synchronisiert wird, anschließend aber ohne externe Synchronisierung auf der gewünschten Frequenz über längere Zeit weiterschwingen soll. Dies wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass das Schleifenfilter der phasengekoppelten Schleife ein Tiefpass ist, bei dem zwischen dem Widerstand (R3) und dem Filterkondensator (C2), dessen zweiter Anschluss auf Bezugspotential geschaltet ist, ein erster Schalter (1A) geschaltet ist, zu dem in Serie ein zweiter Schalter (1B) geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss an den Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) geschaltet ist, die Spannung am Filterkondensator (C2) über einen Trennverstärker oder Impedanzwandler (U) und einen dritten Schalter (1C) einem Speicherkondensator (CF) mit einer entsprechend hohen Entladungszeitkonstanten, dessen zweiter Anschluss auf Bezugspotential geschaltet ist, zugeführt wird und die Spannung am Speicherkondensator (CF) über einen vierten Schalter (2) an den Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) geschaltet ist, wobei während der Synchronisationsphase der erste (1A), der zweite (1B) und der dritte Schalter (1C) geschlossen sind und der vierte Schalter (2) geöffnet ist und während der Frequenzkonstanthaltungsphase der erste (1A), der zweite (1B) und der dritte Schalter (1C) geöffnet sind und der vierte Schalter (2) geschlossen ist.

Description

Beschreibung

VORRICHTUNG ZUR KONSTANTHALTUNG DER FREQUENZ EINES SPANNUNGSGESTEUERTEN OSZILLATORS

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Konstanthaltung der Frequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators, der in einer phasengekoppelten Schleife eingebaut ist, der über eine ausreichende Zeit mit einer externen Frequenz synchronisiert wird, anschließend aber ohne externe Synchronisierung auf der gewünschten Frequenz längere Zeit weiterschwingen soll.

[0002] Wenn die Frequenz eines Oszillators, der mit einer PLL realisiert ist, über längere Zeit ohne externe Synchronisierung konstant zu halten ist, ist die Güte des Kondensators entscheidend. Im Normalfall spielt der Parallelwiderstand keine Rolle, will man aber im Sekundenbereich die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators konstant halten, braucht man einen entsprechend großen und qualitätsmäßig hohen Kondensator. Dieser Kondensator darf während des Synchronisiervorganges aber nicht in die PLL geschaltet sein, weil sonst die Dynamik des Regelkreises stark beeinflusst wird.

[0003] Eine bei größeren Stückzahlen wesentlich billigere und kompaktere Lösung (wenn man die Vorrichtung als integrierte Schaltung aufbaut) ist dann die Verwendung eines digitalen Zwischenschritts. Nach der Synchronisierung des Oszillators wird der Spannungswert am Eingang des Kondensators mit einem Analogdigitalwandler digitalisiert. Anschließend wird dieser Wert mit Hilfe eines Digitalanalogwandlers wieder in ein Analogsignal gewandelt und dieses dem spannungsgesteuerten Oszillator zugeführt. Dadurch kann die Eingangsspannung und daher die Frequenz auf dem sich durch die Synchronisierung eingestellten Wert gehalten werden.

[0004] Aus der Patentliteratur sind Methoden zur Konstanthaltung der Frequenz in phasengekoppelten Schleifen bekannt. Dabei wird die Schleife aufgetrennt und die Eingangsspannung am Oszillator konstant gehalten.

[0005] In FR 2535545 A1 (THOMSON CSF) kann der Oszillatoreingang der phasengekoppelten Schleife umgeschaltet werden auf eine Speicherschaltung. Dabei wird die Schleife aufgetrennt und der Oszillatoreingang mit dem Speicherwert versorgt. Neben einer teildigitalen Lösung wird eine analoge Vorrichtung gezeigt (Fig. 3), bei der der Eingang des Schleifenkondensators von der Schleife getrennt wird und der so nun nicht mehr durch die geschlossene Regelschleife verändert wird, sondern sich selbst überlassen wird. Hätte man einen idealen Kondensator, so würde die Spannung am Kondensator konstant bleiben und somit auch die Eingangsspannung des VCOs und daher würde auch die Oszillatorfrequenz konstant bleiben. Die Kondensatorspannung wird zwar mit einem Spannungsfolger, daher sehr hochohmig abgegriffen, aber die Eigenzeitkonstante ist, bedingt durch den kleinen erforderlichen Kondensator des Schleifenfilters der PLL, sehr klein. Der Kondensator entlädt sich daher sehr rasch. Das spielt normalerweise keine Rolle, will man aber die Frequenz über einige Sekunden oder gar Minuten konstant halten, so ist das auch mit qualitativ sehr guten Kondensatoren in der Schleife nicht möglich. Hier hilft die gegenständliche Erfindung, die die Funktion des Schleifenkondensators (der Kondensator den die PLL benötigt) und des Speicherkondensators trennt. Wirkmäßig liegen nach Auftrennen der Schleife und Zuschalten des Speicherkondensators der Schleifenkondensator (kleiner Kapazitätswert mit kleiner Zeitkonstante) und der Speicherkondensator (großer Kapazitätswert, große Zeitkonstante) parallel. Bei der gegenständlichen Erfindung jedoch bleiben Speicherkondensator und Schleifenkondensator getrennt.

[0006] WO 01/86815 A2 (QUALCOMM INCORPORATED) beschäftigt sich mit einer Methode und einer Vorrichtung zur Verringerung der Einrastzeit. Der Speicherkondensator befindet sich zwar in einer Einheit „Track and Hold“, liegt wirkmäßig unmittelbar nach dem Phasendetektor und bildet mit dem Ausgangswiderstand desselben ein Tiefpassfilter, das dem eigentlichen Schleifenfilter in Kette geschaltet ist. Um die Frequenz konstant zu halten, wird die Schleife über einen Feldeffekttransistor unterbrochen. Die Spannung am Kondensator wird über einen Span nungsfolger (also hochohmig) dem Schleifenfilter zugeführt. Da der Kondensator im Wirkkreis der phasengekoppelten Schleife liegt, kann er auch nicht groß sein, die Eigenzeitkonstante ist daher sehr klein. Der Kondensator entlädt sich daher sehr rasch.

[0007] Das spielt normalerweise keine Rolle, will man aber die Frequenz über einige Sekunden oder gar Minuten konstant halten, so ist das auch mit qualitativ sehr guten Kondensatoren in der Schleife nicht möglich. Die Frequenz kann nur über einen kurzen Zeitraum konstant gehalten werden. Bei der gegenständlichen Vorrichtung wirkt der Speicherkondensator nicht auf den normalen Betrieb der phasengekoppelten Schleife ein.

[0008] US 8018289 B1 (HU, P. et al.) zeigt den Weg der Speicherung durch die Kombination eines analog-zu-digital Konverters und eines digital-zu-analog Konverters. Das entspricht dem Konzept in Absatz 3.

[0009] EP 1545028 A2 (INFINEON TECHNOLOGIES AG) zeigt eine Regeleinrichtung mit schaltbarer Bandbreite. Dabei kann zu einem Kondensator ein weiterer mithilfe eines Schalters parallel geschaltet werden. Bevor der zweite Kondensator dazu geschaltet wird, wird dieser über einen Trennverstärker auf denselben Wert, wie der erste aufgeladen ist, geladen. Damit kommt es nicht zu einem Ladungsausgleich zwischen den Kondensatoren und die Spannung an den Kondensatoren bleibt gleich.

[0010] EP 0078084 A2 (PHILIPS PATENTVERWALTUNG) zeigt eine Schaltanordnung mit einem umschaltbaren Glättungsglied. Damit kein Sprung im übertragenen Signal auftritt, wird das Signal dem Kondensator im abgeschalteten Zustand über einen Impedanzwandler zugeführt.

[0011] US 4007429 A (CADALORA, F. et al.) zeigt eine PLL mit einem umschaltbaren Tiefpassfilter.

[0012] Die drei letzten Schriften zeigen den weiteren Stand der Technik.

[0013] Um die Spannung an einem Kondensator über längere Zeit konstant zu halten, benötigt man große Kondensatoren. Diese sind aber aus dynamischen Gründen als Kondensatoren im Schleifenfilter der PLL ungeeignet. In der gegenständlichen Erfindung wird die Funktion von Schleifenfilterkondensator und Speicherkondensator getrennt. Dadurch ist eine lange Überbrückungszeit möglich.

[0014] Die Figur Fig. 1 stellt eine Ausformung der gegenständlichen Erfindung dar.

[0015] Fig. 1 zeigt die Lösung mit einem großen Kondensator (CF). Eine PLL besteht in einfachster Form aus einem Phasendetektor (PD), einem Filter, hier bestehend aus einem RC Tiefpass mit dem Widerstand (R3) und dem Kondensator (C2) und einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO). In dieser einfachen Form liefert der spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) im eingerasteten Zustand ein Signal mit der Frequenz die gleich ist wie die Frequenz (FSYNCH), die am zweiten Anschluss des Phasendetektors (PD) anliegt. Die PLL ist ein Regelkreis und der Phasendetektor bildet den Ist-Sollwert-Vergleich. Beim Betrieb als phasengekoppelte Schleife sind die Schalter (1A, 1B) geschlossen. Wollte man nun die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) ohne Synchronisiersignal (FSYNCH) konstant halten, bräuchte man nur den Schalter (1A) öffnen. Ein idealer Kondensator würde die Spannung konstant halten und die Frequenz würde gleich bleiben. Da aber der Kondensator des Filters (C2) nicht ideal ist, entlädt sich dieser. Die Zeitkonstante der Entladung eines 100 nF Kondensators mit parallel liegendem Verlustwiderstand von 10 MOhm ist nur eine Zehntel Sekunde. Man erkennt daraus, dass es unmöglich ist, die Frequenz über einen längeren Zeitraum konstant zu halten, selbst wenn noch bessere Kondensatoren verwendet würden. Als Abhilfe ist nun ein großer Kondensator (CF) vorgesehen. Während der Synchronisierphase sind alle Schalter (1A, 1B, 1C) eingeschaltet. Der große Kondensator CF wird über einen Impedanzwandler (Trennverstärker) auf denselben Wert wie der eigentliche Filterkondensator (C2) der PLL geladen. Es muss dafür natürlich eine entsprechend lange Zeit vorgesehen werden, da der Ladevorgang durch den Ausgangswiderstand des Trennverstärkers begrenzt ist. Ist die Synchronisierung erfolgt und der große Kondensator (CF) aufgeladen, werden die Schalter 1C und 1A geöffnet, Schalter (2) schließt und Schalter (1B) öffnet. Nun wird der Eingang des VCOs mit der Spannung des Kondensators (CF) versorgt.

[0016] Diese Schaltung kann noch etwas vereinfacht werden. Der Schalter (1A) kann eingespart werden. Wenn der Synchronisiervorgang und der Ladevorgang des großen Kondensators (CF) vorbei sind, öffnet (1C), Schalter (2) schließt und Schalter (1B) öffnet. Der Kondensator (C2) entlädt sich nun rascher als bei der Variante mit dem Schalter (1A), da er sich nun nicht nur über den eigenen Parallelwiderstand entlädt, sondern auch über den Filterwiderstand (R3) und den Phasendetektor.

[0017] Die Aufgabe, die Frequenz eines Oszillators nach einer Synchronisierphase über längere Zeit konstant zu halten, wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass das Schleifenfilter der phasengekoppelten Schleife ein Tiefpass ist, bei dem zwischen dem Widerstand (R3) und dem Filterkondensator (C2), dessen zweiter Anschluss auf Bezugspotential geschaltet ist, ein erster Schalter (1A) geschaltet ist, zu dem in Serie ein zweiter Schalter (1B) geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss an den Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) geschaltet ist, die Spannung am Filterkondensator (C2) über einen Trennverstärker oder Impedanzwandler (U) und einen dritten Schalter (1C) einem Speicherkondensator (CF) mit einer entsprechend hohen Entladungszeitkonstanten, dessen zweiter Anschluss auf Bezugspotential geschaltet ist, zugeführt wird und die Spannung am Speicherkondensator (CF) über einen vierten Schalter (2) an den Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) geschaltet ist, wobei während der Synchronisationsphase der erste (1A), der zweite (1B) und der dritte Schalter (1C) geschlossen sind und der vierte Schalter (2) geöffnet ist und während der Frequenzkonstanthaltungsphase der erste (1A), der zweite (1B) und der dritte Schalter (1C) geöffnet sind und der vierte Schalter (2) geschlossen ist.

Claims

Patentanspruch 1. Vorrichtung zur Konstanthaltung der Frequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO), der in einer phasengekoppelten Schleife eingebaut ist, der über eine ausreichende Zeit mit einer externen Frequenz synchronisiert wird, anschließend aber ohne externe Synchronisierung auf der gewünschten Frequenz längere Zeit weiterschwingen soll dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifenfilter der phasengekoppelten Schleife ein Tiefpass ist, bei dem zwischen dem Widerstand (R3) und dem Filterkondensator (C2), dessen zweiter Anschluss auf Bezugspotential geschaltet ist, ein erster Schalter (1A) geschaltet ist, zu dem in Serie ein zweiter Schalter (1B) geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss an den Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) geschaltet ist, die Spannung am Filterkondensator (C2) über einen Trennverstärker oder Impedanzwandler (U) und einen dritten Schalter (1C) einem Speicherkondensator (CF) mit einer entsprechend hohen Entladungszeitkonstanten, dessen zweiter Anschluss auf Bezugspotential geschaltet ist, zugeführt wird und die Spannung am Speicherkondensator (CF) über einen vierten Schalter (2) an den Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) geschaltet ist, wobei während der Synchronisationsphase der erste (1A), der zweite (1B) und der dritte Schalter (1C) geschlossen sind und der vierte Schalter (2) geöffnet ist und während der Frequenzkonstanthaltungsphase der erste (1A), der zweite (1B) und der dritte Schalter (1C) geöffnet sind und der vierte Schalter (2) geschlossen ist. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen